1 引言
　　
　　rfidchina.org/industry/tag.html" target="_blank">RFID（Radio Frequency IDentification）技術(shù),，即射頻識(shí)別技術(shù),，是一種通信技術(shù)，目前廣泛應(yīng)用于各種收費(fèi)場(chǎng)合,，例如：公共交通收費(fèi)系統(tǒng),，停車場(chǎng)收費(fèi)系統(tǒng)等等。目前使用RFID 技術(shù)的系統(tǒng)通常使用RS-485 和PC 端進(jìn)行數(shù)據(jù)交互,，但是RS-485 使用單主節(jié)點(diǎn),，采用輪詢方式，因此存在實(shí)時(shí)性較低和通訊效率低的問(wèn)題,。
　　
　　隨著計(jì)算機(jī)科學(xué)水平的不斷飛躍和工業(yè)發(fā)展的需要,，工業(yè)控制系統(tǒng)經(jīng)歷了基地式儀表控制系統(tǒng)、集中式數(shù)字控制系統(tǒng),、集散控制系統(tǒng)到現(xiàn)在廣泛使用的現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)的轉(zhuǎn)變,。CAN（Controller Area Net）總線是一種基于串行通信網(wǎng)絡(luò)的現(xiàn)場(chǎng)總線。CAN 總線采用多主工作方式,，網(wǎng)絡(luò)上的任意節(jié)點(diǎn)可以在任意時(shí)刻向網(wǎng)絡(luò)上的其他節(jié)點(diǎn)發(fā)送信息,。同時(shí)，CAN 總線采用非破壞性仲裁技術(shù),，當(dāng)兩個(gè)或者更多的節(jié)點(diǎn)同時(shí)向網(wǎng)絡(luò)上傳送數(shù)據(jù),，優(yōu)先級(jí)低的節(jié)點(diǎn)將停止發(fā)送，直到優(yōu)先級(jí)高的節(jié)點(diǎn)發(fā)送完數(shù)據(jù)后再發(fā)送,，這樣有效地避免了總線競(jìng)爭(zhēng),。CAN 通信距離最遠(yuǎn)可達(dá)10km/5kbps,通信速率最高可大1Mbps.CAN 的每幀數(shù)據(jù)都有CRC校驗(yàn)或者其它檢測(cè)方式，保證了數(shù)據(jù)通信的可靠性,。
　　
　　當(dāng)一個(gè)CAN 節(jié)點(diǎn)發(fā)生嚴(yán)重錯(cuò)誤時(shí),，該節(jié)點(diǎn)會(huì)自動(dòng)關(guān)閉，從而不影響其它節(jié)點(diǎn)的正常工作,。因此,，CAN 總線具有可靠性強(qiáng)，實(shí)時(shí)性高和效率高等優(yōu)勢(shì),，完全能夠取代RS 485 總線,。
　　
　　考慮到在實(shí)際應(yīng)用環(huán)境中，為了減少大量的布線工作,，使用2.4G 無(wú)線網(wǎng)絡(luò)作為數(shù)據(jù)從RFID 到CAN總線之間傳輸?shù)闹修D(zhuǎn)站,。無(wú)線技術(shù)具有成本低,、靈活性高、可靠性高和安裝時(shí)間短等特點(diǎn),。本次設(shè)計(jì)使用選用nRF24L01 組建無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò),，該芯片支持多點(diǎn)通信，在接受模式下可以接收6 路不同通道的數(shù)據(jù),。
　　
　　也就是無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的接收端可以接收6 個(gè)不同發(fā)送端的數(shù)據(jù),，發(fā)送端的數(shù)據(jù)是通過(guò)RFID 模塊獲得。
　　
　　基于以上的討論,，本文將給出一種基于CAN 總線和2.4G 無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的新型RFID 收費(fèi)系統(tǒng),。
　　
　　2 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)
　　
　　2.1 系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和系統(tǒng)組成
　　
　　2.1.1 系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)
　　
　　如圖1 所示，RFID 設(shè)備的相關(guān)數(shù)據(jù)將通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)傳送至CAN 收發(fā)器,，后者再將數(shù)據(jù)通過(guò)CAN 總線傳送至PC 機(jī),，PC 機(jī)采用帶有CAN 接口的PCI-E 擴(kuò)展卡。此外,，無(wú)線通訊芯片nRF24L01 在接受模式下可以接收6 路不同通道的數(shù)據(jù),，以此來(lái)實(shí)現(xiàn)一個(gè)CAN節(jié)點(diǎn)最多控制6 個(gè)RFID 終端設(shè)備的數(shù)據(jù)傳送。在6個(gè)RFID 收費(fèi)終端不能滿足需求的情況下,，可以添加更多的節(jié)點(diǎn),，所有節(jié)點(diǎn)掛載在CAN 總線上，通過(guò)CAN總線,，每個(gè)節(jié)點(diǎn)將數(shù)據(jù)傳送至PC 端,。

　　
　　2.1.2 系統(tǒng)組成
　　
　　本系統(tǒng)（CAN 節(jié)點(diǎn)）有兩個(gè)子系統(tǒng)組成。B 子系統(tǒng)由單片機(jī),、RFID 模塊、無(wú)線模塊,、看門(mén)狗,、液晶屏、時(shí)鐘模塊,、按鍵和EEPROM 組成,。微控制器（MCU）控制RFID 模塊對(duì)Mifare 1 卡進(jìn)行讀寫(xiě)操作，無(wú)線模塊將有關(guān)的數(shù)據(jù)發(fā)送給A 子系統(tǒng),。A 子系統(tǒng)由單片機(jī),、無(wú)線模塊、看門(mén)狗和CAN 模塊組成,。MCU 將經(jīng)由無(wú)線模塊接收到的數(shù)據(jù)通過(guò)CAN 模塊發(fā)送至PC 端,。由于一個(gè)節(jié)點(diǎn)最多可以控制6 個(gè)RFID 設(shè)備終端，因此在一個(gè)完整的系統(tǒng)里,，A 子系統(tǒng)只有1 個(gè),，而B(niǎo) 子系統(tǒng)最多可以有6 個(gè),。
　　
　　
　　2.2 微控制器
　　
　　微控制器選用STC89LE58RD+,它具有4 個(gè)8 位并行I/O 端口P0~P3,1 個(gè)4 位并行端口P4,32KB FLASHROM,1280 字節(jié)RAM,3 個(gè)定時(shí)器，8 個(gè)中斷源和4個(gè)中斷優(yōu)先級(jí)的中斷系統(tǒng),。其性能完全滿足設(shè)計(jì)所需,。
　　
　　2.3 CAN 模塊
　　
　　CAN 總線的硬件實(shí)現(xiàn)選用飛利浦公司的SJA1000和PCA82C250.
　　
　　2.3.1 SJA1000 芯片介紹
　　
　　SJA1000 是一個(gè)獨(dú)立的 CAN 控制器。它支持PeliCAN 模式擴(kuò)展功能（采用CAN2.0B 協(xié)議）,，具有11 位或 29 位標(biāo)識(shí)符,，64 字節(jié)的接收FIFO,具有仲裁機(jī)制和強(qiáng)大的檢錯(cuò)能力等。
　　
　　2.3.2 PCA82C250 芯片介紹
　　
　　PCA82C250 是CAN 總線收發(fā)器,，它主要是為汽車中高速通訊（高達(dá) 1Mbps）應(yīng)用而設(shè)計(jì),。它可以抗寬范圍的工模干擾和電磁干擾（EMI），降低射頻干擾（RFI）,，具有熱保護(hù)功能,。最多可以連接110 個(gè)節(jié)點(diǎn)。
　　
　　2.3.3 硬件接口連接
　　
        P1 口作為復(fù)用的地址/數(shù)據(jù)總線連接SJA1000 的AD 口,，P2.0 和SJA1000 的片選段CS 相連,，使得SJA1000 作為單片機(jī)外圍存儲(chǔ)器映射的I/O器件。此外,，SJA1000 的RX0,、TX0 和PCA82C250的RXD、TXD 相連,。

　　
　　2.4 無(wú)線模塊
　　
　　2.4.1 nRF24L01 芯片介紹
　　
　　無(wú)線芯片選用nRF24L01.它是2.4GHz 無(wú)線射頻收發(fā)芯片,，傳送速率高達(dá)2Mbps,支持125 個(gè)可選工作頻率，具有地址和CRC 校驗(yàn)功能,，提供SPI 接口,。
　　
　　有專用的中斷管腳，支持3 個(gè)中斷源,，可向MCU 發(fā)出中斷信號(hào),。具有自動(dòng)應(yīng)答功能，在確認(rèn)收到數(shù)據(jù)后記錄地址,，并以此地址為目標(biāo)地址發(fā)送應(yīng)答信號(hào),。支持ShockBurstTM 模式，在此模式下,，nRF24L01 可以與低速M(fèi)CU 相連,。nRF24L01 在接收模式下可以接收6 路不同通道的數(shù)據(jù)。
　　
　　2.4.2 nRF24L01 硬件接口連接
　　
        單片機(jī)通過(guò)模擬SPI 總線時(shí)序和nRF24L01 進(jìn)行通信,。其外部中斷管腳IRQ 和單片機(jī)的P3.2（外部中斷0）相連,。

　　2.5 RFID 模塊
　　
　　2.5.1 MF RC500 芯片介紹
　　
　　RFID 模塊選用飛利浦公司的MF RC500,它是目前廣泛使用的RFID 芯片之一。MF RC500 支持ISO14443A協(xié)議,，支持MIFARE 雙接口卡,，內(nèi)部有高集成度模擬電路用于應(yīng)答卡的解調(diào)和解碼,，具有64 字節(jié)收發(fā)FIFO 緩沖區(qū)和非易失性密鑰存儲(chǔ)器。此外,，有專用的中斷管腳,，支持6 個(gè)中斷源，可向MCU 發(fā)出中斷信號(hào),。
　　
　　2.5.2 MF RC500 硬件接口連接
　　
　　
　　3 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)
　　
　　在初始化單片機(jī)程序中,，子系統(tǒng)A 外部中斷設(shè)置為低電平觸發(fā)，子系統(tǒng)A 的中斷信號(hào)源由nRF24L01提供,，當(dāng)nRF24L01 收到數(shù)據(jù)后產(chǎn)生中斷信號(hào),，通知MCU 來(lái)讀取數(shù)據(jù)。子系統(tǒng)B 不使用中斷功能,。
　　
　　在初始化nRF24L01 程序中,，子系統(tǒng)B 配置為發(fā)送模式，使用16 位CRC 校驗(yàn),。使用自動(dòng)應(yīng)答功能,，數(shù)據(jù)通道0 被設(shè)置為接收應(yīng)答信號(hào)，其數(shù)據(jù)通道0 的接收地址必須與發(fā)送端的地址相等,，以此來(lái)保證能正確的收到應(yīng)答信號(hào),。一個(gè)系統(tǒng)最多可以有六個(gè)子系統(tǒng)A 組成，這6 個(gè)子系統(tǒng)的發(fā)送地址不能重復(fù),。子系統(tǒng)A 配置為接收模式,，使用16 位CRC 校驗(yàn)，最多接收6 個(gè)通道的數(shù)據(jù),。這6 個(gè)接收地址和各子系統(tǒng)B 中的發(fā)送地址相等,。
　　
　　在初試化SJA1000 中，使用PliCAN 模式,，波特率125Kbps,禁止接受和發(fā)送中斷,；輸出控制寄存器配置如下：正常模式，TX 下拉,，輸出控制極性。此外,，需正確配置驗(yàn)收代碼寄存器和驗(yàn)收屏蔽寄存器,，此配置用于CAN 總線仲裁功能的實(shí)現(xiàn)。
　　
　　在初始化MF RC500 中,，其主要設(shè)置如下：TX1和TX2 的輸出配置為13.56MHz 能量載波,；解碼器的輸入源為內(nèi)部解調(diào)器；使用Q 時(shí)鐘作為接收器時(shí)鐘,；禁止發(fā)送和接收中斷,；設(shè)置RxThreshold 寄存器值為0xFF,BitPhase 寄存器值為0xAD 等,。
　　
　　復(fù)位請(qǐng)求函數(shù)將在天線的有效范圍內(nèi)搜索Mifare1 卡，如果有卡存在,，將建立通信連接并讀取卡上的卡片類型號(hào)TAGTYPE.防碰撞函數(shù)使MF RC500 在多張Mifare 1 卡選擇其中的一張,。卡選擇函數(shù)能夠和已知序列號(hào)的卡進(jìn)行通信,。認(rèn)證函數(shù)將Mifare 1 卡上的密碼和MF RC500 的EEPROM 中的密鑰進(jìn)行匹配,。
　　
　　只有匹配正確后，才能進(jìn)行對(duì)卡的讀寫(xiě)操作,。發(fā)送停機(jī)指令設(shè)置Mifare 1 卡為HALT MODE.
　　
　　CAN 函數(shù)用于將有關(guān)數(shù)據(jù)發(fā)送至PC 機(jī),。本次設(shè)計(jì)采用查詢方式以確保數(shù)據(jù)已經(jīng)發(fā)送。通過(guò)查詢狀態(tài)寄存器中的標(biāo)志位TBS,、TCS 和TS 即可確認(rèn)是否數(shù)據(jù)發(fā)送完畢,。類似的，在無(wú)線函數(shù)中為確保數(shù)據(jù)已經(jīng)發(fā)送,，通過(guò)查詢狀態(tài)寄存器中的TX_DS 即可,。
　　
　　4 系統(tǒng)測(cè)試
　　
　　首先，對(duì)RFID 模塊進(jìn)行了測(cè)試,。將MIFARE 1卡放入天線有效范圍內(nèi),，對(duì)該卡進(jìn)行讀寫(xiě)操作，并將相關(guān)數(shù)據(jù)顯示在液晶屏上,。經(jīng)過(guò)該測(cè)試,，RFID 模塊讀寫(xiě)正常。 隨后,，測(cè)試該系統(tǒng)傳輸網(wǎng)絡(luò)的實(shí)時(shí)性,，本文以溫度數(shù)據(jù)的無(wú)線傳輸進(jìn)行測(cè)試。測(cè)量溫度的裝置為DS18B20 單線溫度傳感器,。將該溫度傳感器連接至子系統(tǒng)B 中,，溫度傳感器每隔一秒對(duì)室內(nèi)溫度采樣一次，微控制器讀取溫度數(shù)據(jù)并通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給A 子系統(tǒng),，A 子系統(tǒng)接收數(shù)據(jù)并通過(guò)CAN 總線發(fā)送至PC 端,。
　　
　　PC 端使用Visual Basic 6.0 編寫(xiě)上位機(jī)程序，上位機(jī)將溫度數(shù)據(jù)繪制成曲線并寫(xiě)入文本,。溫度曲線如圖8 所示,，其中溫度值的精度為1 攝氏度。通過(guò)對(duì)溫度曲線圖和文本數(shù)據(jù)的對(duì)比觀察,，發(fā)現(xiàn)溫度數(shù)據(jù)無(wú)異常,， 數(shù)據(jù)沒(méi)有出現(xiàn)丟失情況。
　　
　　5 結(jié)語(yǔ)
　　
　　本文利用了CAN 總線取代RS-485 總線,，克服了后者存在的缺點(diǎn),。同時(shí)還使用了無(wú)線技術(shù),，在減少大量布線工作的同時(shí)，充分利用了nRF24L01 多點(diǎn)通訊的功能,。在系統(tǒng)搭建完成后,，筆者對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了長(zhǎng)時(shí)間測(cè)試。測(cè)試結(jié)果表明：數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定,，可靠,，實(shí)時(shí)性高，克服了傳統(tǒng)基于RS485 總線設(shè)計(jì)的RFID 收費(fèi)系統(tǒng)的缺陷,，具有較強(qiáng)的使用價(jià)值,。